СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ CO ПРИ ОКСИСЖИГАНИИ Российский патент 2010 года по МПК F01K21/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для улавливания СО₂ при окси-сжигании. Более конкретно, настоящее изобретение относится к двустадийной процедуре улавливания СО₂, которая оптимизирует функцию СО₂ охлаждения и степень сжатия.

Описание предшествующего уровня техники

Отработанные газы обычной силовой установки обычно содержат от около 4% (объема) до около 14% диоксида углерода (СО₂). Обычно считается, что этот СО₂ является существенным фактором в усилении парникового эффекта и глобального потепления. Следовательно, существует очевидная необходимость в эффективных способах улавливания СО₂ из отработанных газов таким образом, чтобы получить концентрированный поток сжатого СО₂, который можно быстро транспортировать к месту безопасного хранения или к месту дальнейшего использования. СО₂ улавливали из газовых потоков с помощью четырех основных технологий: абсорбцией, при которой СО₂ избирательно поглощается жидкими растворителями; мембранами, когда СО₂ отделяют с помощью полупроницаемых пластмассовых или керамических мембран; адсорбцией, когда СО₂ отделяют путем адсорбции на поверхностях, специально полученных твердых частиц; и с помощью способов с использованием низких температур/высокого давления, когда разделение осуществляют путем конденсации СО₂.

В настоящее время наиболее зарекомендовавшим себя способом улавливания СО₂ из отработанных газов является промывание отработанного газа раствором амина для абсорбирования в растворе СО₂. Эта технология достигла промышленного уровня работы систем улавливания СО₂ из маломасштабных отработанных газов. Однако ее применение значительно снижает общую производительность силовых установок. Другая трудность заключается в том, что чтобы минимизировать загрязнение растворителя примесями, необходимы эффективные меры для очищения отработанных газов, например, от оксидов серы и азота.

Системы окси-сжигания используют кислород, обычно получаемый в блоках разделения воздуха (ASU), вместо воздуха для сжигания первичного топлива. Кислород часто смешивают с инертным газом, таким как рециркулированный отработанный газ, чтобы сохранить температуру сжигания на необходимом уровне. При процессах окси-сжигания получают отработанный газ, содержащий СО₂, воду и О₂ в качестве его главных составляющих, причем концентрация СО₂ обычно составляет больше чем около 70% объема. Поэтому улавливание СО₂ из отработанного газа, полученного в результате процесса окси-сжигания, может быть осуществлено относительно просто путем использования разделения при низких температурах. Водяной пар обычно удаляют из отработанного газа, полученного в результате процесса окси-сжигания, путем сжатия и охлаждения отработанного газа. Дальнейшая обработка отработанного газа может быть необходима для удаления загрязнителей воздуха и несконденсированных газов (таких как азот) из отработанного газа перед отделением СО₂, который направляют на хранение.

В патенте США №6898936 описан способ окси-сжигания с рециркуляцией отработанного газа, в котором часть отработанного газа сжимают в несколько этапов до очень высокого давления около 345 бар и охлаждают ниже критической температуры для CO₂, равной 31,05°С, для конденсации CO₂ из отработанного газа. Результирующий поток газа с высоким содержанием О₂ снова расширяют до около 138 бар и направляют на блок разделения воздуха.

В патенте США №6574962 описан способ окси-сжигания с рециркуляцией отработавшего газа, в котором часть отработанного газа охлаждают в несколько этапов до очень низкой температуры, находящейся в диапазоне от около -51°С до около -12°С, и сжимают до давления выше около 5,8 бар для конденсации СО₂ из отработанного газа. Результирующий поток газа с высоким содержанием О₂ объединяют с потоком газа с высоким содержанием О₂ из блока разделения воздуха и направляют в качестве газа сгорания в печь сжигания.

Вышеупомянутые решения по предшествующему уровню техники являются сложными либо за счет использования очень высокого давления, либо за счет использования очень низкой температуры для улавливания СО₂. Следовательно, все еще существует потребность в более простом и экономичном способе улавливания СО₂ из отработанного газа при окси-сжигании углеродосодержащего топлива.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является создание эффективного способа улавливания СО₂ при окси-сжигании.

Другой целью настоящего изобретения является создание эффективного устройства для улавливания CO₂ при окси-сжигании.

Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к способу улавливания СО₂ из отработанного газа, выделяющегося на силовой установке сжигания углеродосодержащего топлива, которая включает в себя источник кислорода и камеру сгорания для сжигания топлива с кислородом и получения таким путем отработанного газа, содержащего СО₂, воду и излишек кислорода в качестве его основных составляющих. Способ включает в себя этапы: (а) направление, по меньшей мере, первой части отработанного газа к первому каналу отработанного газа, (b) сжатие первой части отработанного газа для получения потока сжатого отработанного газа при давлении выше чем около 60 бар, (с) охлаждение потока сжатого отработанного газа в первичном блоке отделения CO₂ для улавливания первой части СО₂ путем его конденсации для получения первого потока жидкого СО₂ и потока отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек CO₂, (d) слив первого потока жидкого СО₂ из силовой установки, и (е) направление потока отходящего газа высокого давления к вторичному блоку отделения СО₂ для улавливания второй части СО₂ путем его адсорбции на адсорбционном материале.

Предпочтительно способ дополнительно включает в себя этап (f) рециркуляции второй части отработанного газа через второй канал отработанного газа к камере сжигания.

Согласно другому аспекту, настоящее изобретение относится к устройству для улавливания СО₂ из отработанного газа, выделяющегося на силовой установке сжигания углеродосодержащего топлива, содержащей источник кислорода и камеру сгорания для сжигания топлива с кислородом для получения таким путем отработанного газа, содержащего СО₂, воду и излишек кислорода в качестве его основных компонентов. Устройство содержит первый канал отработанного газа для направления, по меньшей мере, первой части отработанного газа к средству для улавливания СО₂; последний компрессор, размещенный в первом канале отработанного газа, для сжатия первой части отработанного газа, чтобы получить поток сжатого отработанного газа при давлении выше чем около шестидесяти бар; последнее средство охлаждения, соединенное с первым каналом отработанного газа, для охлаждения потока сжатого отработанного газа для улавливания первой части СО₂ в первичном блоке отделения СО₂ путем его конденсации для получения первого потока жидкого СО₂ и потока отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек СО₂; средство для слива первого потока жидкого СО₂ из силовой установки, и канал для направления потока отходящего газа высокого давления к вторичному блоку отделения СО₂, содержащему адсорбирующий материал для улавливания второй части СО₂ путем его адсорбции на адсорбционном материале.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит сушильное средство, размещенное в упомянутом первом канале отработанного газа для удаления воды из первой части отработанного газа.

Предпочтительно упомянутое сушильное средство содержит, по меньшей мере, одну (i) исходную компрессорную систему и/или (ii) исходное средство охлаждения для сжатия и/или охлаждения части потока отработанного газа до давления и температуры, достаточных для конденсации более чем около 99 вес.% воды в первой части отработанного газа.

Предпочтительно упомянутое последнее средство охлаждения содержит теплообменник.

Предпочтительно упомянутое последнее средство охлаждения содержит средство для рециркуляции хладагента через упомянутый теплообменник и охлаждающую башню.

Предпочтительно упомянутый первичный блок отделения CO₂ содержит ректификационную колонну.

Предпочтительно вторичный блок отделения CO₂ содержит средство для нагревания адсорбирующего материала для высвобождения адсорбированного CO₂ из адсорбирующего материала, средство для повторного охлаждения освобожденного CO₂ так, чтобы получить второй поток жидкого CO₂, и средство для объединения, по меньшей мере, некоторой части второго потока жидкого CO₂ с первым потоком жидкого CO₂.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит средство для закачивания первого потока жидкого CO₂ до давления от около 100 до около 160 бар для транспортировки потока жидкого CO₂ к месту хранения или для дальнейшего применения.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит турбину для расширения, по меньшей мере, некоторой части потока отходящего газа для получения энергии и потока расширенного отходящего газа.

Предпочтительно источником кислорода является блок разделения воздуха, причем устройство дополнительно содержит средство для направления, по меньшей мере, некоторой части потока расширенного отходящего газа к упомянутому блоку разделения воздуха.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит второй канал отработанного газа для рециркуляции второй части отработанного газа к камере сжигания.

Когда углеродосодержащее топливо сжигают в камере сжигания силовой установки, получаемый отработанный газ изначально находится при высокой температуре, обычно около 800°С в случае бойлера с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB). При применении окси-сжигания в печь обычно впрыскивают, дополнительно к кислороду, инертный газ, такой как рециркулированный отработанный газ, для поддержания температуры сжигания на соответствующем уровне. Камера сжигания обычно работает при давлении, близком к давлению окружающей среды, за счет чего давление отработанного газа, выделяющегося в печи, также близко к одному бару. Однако также возможна работа камеры сжигания при повышенном давлении, таком как около 10 бар, за счет чего отработанный газ изначально также находится, соответственно, при повышенном давлении.

Передний по ходу участок канала отработанного газа обычно содержит различные теплообменники, относящиеся к получению пара, такие как перегреватели, промежуточные перегреватели и экономайзеры, которые вызывают снижение температуры отработанного газа до более низкого значения, такого как около 250°С. Первая часть отработанного газа сзади по ходу секции экономайзера направляют к средству для улавливания СО₂, а вторая часть отработанного газа может быть вновь направлена непосредственно назад в печь. Настоящее изобретение относится к способу и устройству для улавливания СО₂ из первой части отработанного газа.

Отработанный газ обычно содержит, в зависимости, например, от использованного топлива и от рециркуляции отработанного газа, относительно высокое количество воды, обычно от около 10% до около 40%. Задачей этапа сушки является эффективное удаление воды из первой части отработанного газа, чтобы избежать ущерба, который в противном случае может быть вызван наличием замерзшей воды (т.е. льда или частиц льда) на расположенных дальше по ходу ступенях, на которых присутствуют высокое давление и относительно низкие температуры. Предпочтительно более чем около 95%, даже более предпочтительно более чем около 99% воды, обычно имеющейся в обрабатываемом потоке отработанного газа, должно быть удалено.

Высушивание отработанного газа обычно осуществляют путем охлаждения отработанного газа до соответствующей температуры для конденсации воды. Предпочтительно, высушивание осуществляют в два этапа, при этом первый этап охлаждения обычно проводят при исходном давлении отработанного газа, т.е. обычно при температуре окружающей среды, а второй этап охлаждения проводят при повышенном давлении, равном, например, около 16 бар. Окончательное высушивание затем может быть осуществлено путем охлаждения сжатого отработанного газа до соответствующей температуры, например, около 32°С. В некоторых случаях может быть предпочтительным осуществлять этап высушивания только при одном значении давления, а в некоторых других случаях может быть более предпочтительным высушивать отработанный газ на более чем двух уровнях давления. Этап высушивания может быть преимущественно закончен химическим удалением влаги. За счет того, что отработанный газ свободен от влаги, не образуется кислоты на расположенных ниже по ходу ступенях установки или в трубопроводе для транспортировки жидкого СО₂ из установки.

Преимущество окси-сжигания заключается в том, что газ для сгорания, введенный в печь, не содержит N₂. Следовательно, практически весь азот в печи поступает из топлива, при этом уровни N₂ и NO_x в отработанном газе являются относительно низкими. Однако отработанный газ может содержать обычные количества SO₂, частицы пыли и другие загрязняющие вещества. Эти примеси могут быть удалены из отработанного газа обычным средством или, по меньшей мере, часть из них может быть удалена из отработанного газа путем конденсирования воды. SO₂ (и SO₃), остающиеся в отработанном газе, входящем в первичном блоке отделения CO₂, будут конденсироваться в ней с СО₂.

Подвергая сжатию поток сухого отработанного газа, который теперь главным образом содержит СО₂ и некоторое количество О₂, до высокого давления, равного более чем около 60 бар, первая часть СО₂ в отработанном газе может быть уловлена путем его конденсации при относительно высокой температуре, обычно близкой к обычной комнатной температуре. Сжимая отработанный газ до такого высокого давления, можно избежать затрат на охлаждение большого количества отработанного газа до рефрижераторных температур, чтобы конденсировать CO₂. Отработанный газ предпочтительно охлаждают до температуры, равной, по меньшей мере, 10°С, даже более предпочтительно равной, по меньшей мере, 15°С.

С другой стороны, чтобы избежать затрат, связанных с излишним сжатием, конечное давление отработанного газа должно быть уменьшено до давление, которое необходимо, чтобы конденсировать требуемую часть СО₂ при температуре, получаемой при конечном охлаждении. Поэтому конечное давление предпочтительно меньше, чем около 100 бар, даже более предпочтительно меньше, чем около 80 бар. Эти конечные давления значительно ниже, чем давления, описанные в патенте США №6898936.

Конечное охлаждение отработанного газа предпочтительно осуществляют путем использования теплообменника с охлаждающим агентом, обычно водой. Соответствующий охлаждающий агент, такой как речная вода, может быть легко доступен на месте расположения силовой установки. Охлаждающим агентом в альтернативном варианте может быть рециркуляционная вода, которая может быть предпочтительно заново охлаждена путем ее рециркуляции через охлаждающую башню. Уловленная первая часть CO₂ содержит предпочтительно, по меньшей мере, около 60%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, около 80 вес.% CO₂ в потоке отработанного газа. На первой ступени улавливания СО₂ таким образом получают первый поток жидкого СО₂ и поток отходящего газа высокого давления, содержащий кислород и излишек СО₂.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения первичный блок отделения СО₂ содержит ректификационную колонну для получения первого потока жидкого СО₂ и потока отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек CO₂. За счет использования ректификационной колонны с соответствующим числом ступеней, содержащей предпочтительно конденсатор и трубопровод возврата для верхнего потока, ребойлер для жидкого нижнего потока, можно получить поток жидкого СО₂ высокой чистоты, несмотря, например, на возможные примеси в потоке О₂ из источника кислорода или утечек в системе сжигания.

Стараясь уловить как можно больше CO₂ в отработанном газе, трудности, относящиеся к сжатию до очень высоких давлений и/или охлаждения до очень низких температур, согласно настоящему изобретению, устранены за счет улавливания второй части СО₂ во вторичном блоке отделения СО₂ путем адсорбции части излишка СО₂ из потока отработанного газа на адсорбционном материале. Предпочтительно, по меньшей мере, около 60%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, около 90 вес.% излишка СО₂ адсорбируется во вторичном блоке отделения СО₂.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения вторичный блок отделения СО₂ основан на методе (TSA)-методе проведения адсорбции в циклах адсорбции-десорбции при различных температурах - т.е. адсорбированный СО₂ на последней стадии высвобождается из адсорбирующего материала путем нагревания материала. Высвобожденный СО₂ конденсируют предпочтительно путем повторного охлаждения в теплообменнике. За счет использования метода TSA вместо метода PSA (короткоцикловой безнагревной адсорбции) поддерживают давление СО₂, при этом сконденсированный СО₂, т.е. второй поток жидкого СО₂, может быть объединен предпочтительно с первым потоком жидкого СО₂ из первичного блока отделения СО₂. Объединенный поток жидкого СО₂ затем предпочтительно закачивают при соответствующем давлении, находящемся обычно в диапазоне от около 100 до около 160 бар, для транспортировки жидкого СО₂ к месту хранения или к месту дальнейшего применения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ включает в себя дополнительный этап расширения через турбину, по меньшей мере, части потока отходящего газа высокого давления для получения энергии и потока расширенного отходящего газа. За счет использования турбины можно улучшить общий кпд силовой установки. Поток отходящего газа, который обычно содержит большое количество кислорода, предпочтительно дросселируют до давления, соответствующего давлению для газа, входящего в блок разделения воздуха, и, по меньшей мере, часть потока дросселированного отходящего газа направляют в блок разделения воздуха в качестве предпочтительно входящего газа с высоким содержанием кислорода.

Приведенное выше краткое описание, так же как дополнительные цели, признаки и преимущества настоящее изобретения будут более полно пояснены путем ссылки на нижеследующее подробное описание являющихся в настоящее время предпочтительными, но однако имеющих иллюстративный характер, вариантов осуществления настоящего изобретения, рассматриваемых совместно с приложенными чертежами.

Краткое описание чертежей

На чертеже дано схематичное изображение силовой установки с устройством для улавливания СО₂ согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 схематично показана силовая установка с приведенным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения. Таким образом, на фиг.1 показана силовая установка 10, содержащая камеру 12 сжигания для сжигания углеродосодержащего топлива с кислородом, подводимым к камере 12 сжигания из блока 14 разделения воздуха. Процесс сжигания создает поток отработанного газа, содержащего большое количество, например, около 75% СО₂ и имеющего в качестве других основных составляющих воду и излишек кислорода. Камера 12 сжигания может быть бойлером с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СРВ), PC бойлером или каким-нибудь другим подходящим типом камеры сжигания. Камера 12 сжигания может работать при температуре около температуры окружающей среды или в альтернативном варианте может быть типа камеры сжигания, работающей при повышенном давлении, например, около десяти бар.

Блок 14 разделения воздуха превращает входящий поток воздуха 16 в первый поток 18, содержащий в основном кислород, и другой поток, поток 20 с высоким содержанием азота. Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, некоторую часть потока 18 с высоким содержанием кислорода направляют в камеру 12 сжигания, а поток 20 с высоким содержанием азота выводят в атмосферу или направляют на другие применения.

Отработанный газ, полученный при сжигании углеродосодержащего топлива в печи камеры 12 сжигания, направляют в канал 22 отработанного газа. Канал отработанного газа может содержать соответствующие устройства 24, 26 для производства пара, такие как перегреватели, промежуточные пароперегреватели и экономайзеры, и устройства для улавливания выделений, особенно частиц пыли и SO₂. Однако поскольку подобные устройства не являются предметом настоящего изобретения, их детали здесь не описаны.

Часть отработанного газа может быть направлена на рециркуляцию через рециркуляционный канал 22 назад в печь камеры 12 сжигания через рециркуляционный подвод 22''', чтобы сохранить температуру в печи на требуемом уровне. Оставшуюся часть отработанного газа, которую с этого момента называют первой частью отработанного газа, направляют к средству для улавливания СО₂ через канал 22, который является так называемым первым каналом отработанного газа. Точка разветвления частей потока отработанного газа может быть размещена ниже по потоку сепаратора пыли 26, как на фиг.1, или в другом подходящем месте в канале 22 отработанного газа. Рециркуляционный канал 22, также называемый вторым каналом отработанного газа, и/или первый канал 22 отработанного газа могут предпочтительно содержать средство для контроля скорости потока отработанного газа, например заслонки, регулирующие клапаны или другие ограничители потока, которые, однако, не показаны на чертеже.

Отработанный газ может содержать относительно большое количество воды, обычно от около 10% до около 40%. Предпочтительно воду эффективно удаляют из отработанного газа до улавливания СО₂, чтобы избежать ущерба, который в противном случае может быть вызван наличием замерзшей воды (т.е. льда или частиц льда) на расположенных ниже по потоку ступенях. Предпочтительно более чем 95%, даже более предпочтительно более чем 99% воды изначально должно быть удалено во втором потоке отработанного газа.

Согласно настоящему изобретению первый канал 22 отработанного газа содержит компрессорную систему 28 для сжатия первой части отработанного газа и сепаратор 30 воды для удаления воды, чтобы получить поток сухого и сжатого отработанного газа при давлении больше, чем около 60 бар. На чертеже компрессорная система 28 содержит два компрессора 28а, 28b, но на практике обычно бывает около трех до четырех компрессоров, соединенных последовательно, чтобы получить требуемое конечное давление. Промежуточный теплообменник, такой как теплообменник 30b на чертеже, как правило, установлен между каждой парой компрессоров для осуществления промежуточного охлаждения потока отработанного газа.

Высушивание отработанного газа обычно осуществляют путем охлаждения отработанного газа до соответствующей температуры, чтобы сконденсировать воду. Предпочтительно высушивание осуществляют, по меньшей мере, в два этапа, при этом первый теплообменник 30а предпочтительно размещен в первом канале отработанного газа при исходном давлении отработанного газа, т.е. обычно при температуре около температуры окружающей среды, а второй теплообменник 30b находится при повышенном давлении, например давлении около 16 бар. Таким образом, эффективное высушивание может быть произведено путем охлаждения сжатого отработанного газа до соответствующей температуры, например, около 32°С. Этап высушивания может быть предпочтительно закончен химической дегидратацией. За счет дегидратированного отработанного газа не образуется кислоты на расположенных ниже по потоку ступенях установки или в трубопроводе для транспортировки жидкого СО₂ из установки.

Поток осушенного и сжатого отработанного газа направляют в первичный блок 34 отделения СО₂ для получения первого потока 36 жидкого CO₂ и потока 38 отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек СО₂. Поскольку поток сухого отработанного газа, содержащего главным образом СО₂ и некоторое количество О₂, сжимают до давления больше чем 60 бар, первая часть СО₂ в отработанном газе может быть уловлена путем ее конденсации при относительно высокой температуре, предпочтительно, близкой к обычной комнатной температуре. Таким образом отработанный газ предпочтительно охлаждают до температуры, по меньшей мере, около 10°С, даже более предпочтительно его охлаждают до температуры, по меньшей мере, около 15°С. Эти конечные температуры являются значительно более высокими, чем те, которые описаны, например, в патенте США №6574962.

Охлаждение отработанного газа предпочтительно осуществляют с помощью теплообменника 32 с использованием охлаждающей воды или другого подходящего хладагента. Охлаждающей водой может быть любая вода, взятая снаружи, такая как морская или речная вода, или техническая вода, которая может быть предпочтительно заново охлаждена путем рециркуляции через охлаждающую башню (градирню). Полученная первая часть СО₂ предпочтительно содержит, по меньшей мере, около 60%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, около 80 вес.% СО₂ в первой части отработанного газа. На первом этапе улавливания СО₂ таким образом получают первый поток 36 жидкого СО₂ и поток 38 отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек СО₂.

Первичный блок 34 отделения СО₂ может предпочтительно содержать ректификационную колонну 40 для получения потока 36 жидкого СО₂ и потока 38 отходящего газа высокого давления. За счет использования ректификационной колонны 40 с соответствующим количеством ступеней и имея предпочтительно конденсатор 42 и трубопровод возврата 44 для верхнего потока, а также ребойлер 46 для жидкого нижнего потока, можно получить поток 38 отходящего газа с низким содержанием CO₂ и поток 36 жидкого СО₂ высокой чистоты. Ректификационная колонна 34 может быть, например, градирней с насадкой с десятью ступенями и коэффициентом противотока, равным 0,25.

Чтобы уловить как можно больше CO₂ в отработанном газе, поток 38 отходящего газа из первичного блока 34 отделения СО₂, согласно настоящему изобретению, направляют к вторичному блоку 48 отделения СО₂. Вторичный блок 48 отделения СО₂ предпочтительно содержит слой 50 адсорбирующего материала для адсорбции излишка СО₂ из потока 38 отходящего газа. Слой 50 адсорбирующего материала может содержать активированный уголь, цеолиты или другие соответствующие материалы. Трудности, относящиеся к сжатию до очень высоких давлений и/или охлаждению до очень низких температур, известные из технологий по предшествующему уровню техники, устранены путем осуществления конечного улавливания СО₂ в адсорбирующем слое 50. Предпочтительно, по меньшей мере, около 60%, даже более предпочтительно, по меньшей мере, около 90 вес.% излишка СО₂ адсорбируется во вторичном блоке отделения СО₂. Поэтому общее удаление СО₂ составляет преимущественно больше чем 99%.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения вторичный блок 48 отделения СО₂ основан на методе проведения адсорбционных процессов в циклах адсорбции-десорбции при различных температурах (TSA), т.е. адсорбируемый материал высвобождается на последней ступени из слоя за счет повышения его температуры.

Предпочтительно блок 48, работающий по методу TSA, содержит, по меньшей мере, два адсорбционных слоя 50, которые могут быть использованы попеременно. Можно также непрерывно использовать ступенчатый адсорбционный слой 50, чтобы можно было освободить СО₂ из части материала, составляющего слой, путем нагревания слоя с помощью теплообменника 52, пока другая часть материала, составляющего слой, адсорбирует больше СО₂.

Высвобождаемый СО₂ 54 конденсируют преимущественно путем его повторного охлаждения в теплообменнике 56. Сконденсированный СО₂, т.е. второй поток жидкого СО₂, предпочтительно объединяют с первым потоком 36 жидкого СО₂ в первичном блоке 34 отделения СО₂. Объединенный поток жидкого СО₂ затем закачивают преимущественно с помощью насоса 58 до соответствующего давления, находящегося обычно в диапазоне от около 100 до около 160 бар, для транспортировки СО₂ к месту хранения или к месту дальнейшего применения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения способ включает в себя дополнительный этап дросселирования, по меньшей мере, некоторой части потока отходящего газа из установки 48, работающей по методу TSA, через турбину 60 предпочтительно для получения энергии с помощью генератора 62 и потока 64 расширенного отходящего газа. Обычно поток 64 отходящего газа содержит, по меньшей мере, от около 50% до около 70% О₂, причем остатком являются главным образом СО₂ и N₂, таким образом создавая дополнительную подачу газа, который подлежит вводу в блок 14 разделения воздуха. Поэтому, по меньшей мере, некоторую часть потока расширенного отходящего газа предпочтительно направляют в блок 14 разделения воздуха как дополнительный входящий газ.

Хотя изобретение было описано с помощью примеров, которые в настоящее время можно расценивать как наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, необходимо понимать, что изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления изобретения, но подразумевает охват различных комбинаций или изменений его признаков и некоторых других применений, включенных в объем изобретения, как он определен в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к области энергетики. Способ и устройство для улавливания CO₂ при окси-сжигании содержит источник кислорода и камеру сжигания для сжигания топлива с кислородом и получения тем самым отработанного газа, содержащего CO₂, воду и излишек кислорода в качестве его основных составляющих, при этом первую часть отработанного газа направляют к первому каналу отработанного газа и сжимают для получения потока сжатого отработанного газа при давлении выше, чем шестьдесят бар, охлаждают поток сжатого отработанного газа в первичном блоке отделения CO₂ для улавливания первой части CO₂ путем конденсирования первой части для получения первого потока жидкого CO₂ и потока отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек CO₂, сливают первый поток жидкого CO₂ из силовой установки и направляют поток отходящего газа высокого давления к вторичному блоку отделения CO₂ для улавливания второй части CO₂ путем адсорбирования его адсорбционным материалом. Изобретение позволяет эффективно улавливать CO₂ при окси-сжигании. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ улавливания СО₂ из отработанного газа, выделяющегося на силовой установке сжигания углеродосодержащего топлива, которая включает в себя источник кислорода и камеру сжигания для сжигания топлива с кислородом и получения тем самым отработанного газа, содержащего CO₂, воду и излишек кислорода в качестве его основных составляющих, включающий в себя этапы, на которых:
(a) направляют, по меньшей мере, первую часть отработанного газа к первому каналу отработанного газа,
(b) сжимают первую часть отработанного газа для получения потока сжатого отработанного газа при давлении выше, чем около шестьдесят бар,
(c) охлаждают поток сжатого отработанного газа в первичном блоке отделения CO₂ для улавливания первой части СО₂ путем конденсирования первой части для получения первого потока жидкого СО₂ и потока отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек СО₂,
(d) сливают первый поток жидкого CO₂ из силовой установки, и
(e) направляют поток отходящего газа высокого давления к вторичному блоку отделения СО₂ для улавливания второй части СО₂ путем адсорбирования его адсорбционным материалом.

2. Способ по п.1 дополнительно включает в себя до (этапа с) дополнительный этап удаления воды из первой части отработанного газа.

3. Способ по п.2, в котором этап удаления воды осуществляют путем сжатия и/или охлаждения первой части отработанного газа до давления и температуры, достаточных для конденсации более чем около 99 вес.% воды в части потока отработанного газа.

4. Способ по п.1, в котором первая часть СО₂ содержит, по меньшей мере, около 60% вес. CO₂ в потоке сжатого отработанного газа.

5. Способ по п.4, в котором первая часть СО₂ содержит, по меньшей мере, около 80% вес. CO₂ в потоке сжатого отработанного газа.

6. Способ по п.1, в котором вторая часть СО₂ содержит, по меньшей мере, около 60% вес. излишка CO₂.

7. Способ по п.6, в котором вторая часть СО₂ содержит, по меньшей мере, около 90% вес. излишка СО₂.

8. Способ по п.1 дополнительно включает в себя этап (f) высвобождения на этапе (е) адсорбированного СО₂ за счет тепла из адсорбционного материала, повторного охлаждения освобожденного CO₂ для получения второго потока жидкого СО₂ и объединения, по меньшей мере, части второго потока жидкого CO₂ с первым потоком жидкого СО₂.

9. Способ по п.8 дополнительно включает в себя этап (g) закачивания первого потока жидкого СО₂ до давления от около ста бар до около ста шестидесяти бар для транспортировки потока жидкого СО₂ до емкости хранения или для дальнейшего применения.

10. Способ по п.1, в котором поток сжатого отработанного газа на этапе (с) охлаждают до температуры, по меньшей мере, 10°С.

11. Способ по п.10, в котором поток сжатого отработанного газа на этапе (с) охлаждают до температуры, по меньшей мере, 15°С.

12. Способ по п.10, в котором этап охлаждения осуществляют путем использования рециркуляционной воды, которую повторно охлаждают в охлаждающей башне.

13. Способ по п.11, в котором этап охлаждения осуществляют путем использования рециркуляционной воды, которую повторно охлаждают в охлаждающей башне.

14. Способ по п.1, в котором первичный блок отделения СО₂ содержит ректификационную колонну.

15. Способ по п.1 дополнительно включает в себя этап (f) закачивания первого потока жидкого СО₂ до давления от около ста бар до около ста шестидесяти бар для транспортировки потока жидкого CO₂ до места хранения или для дальнейшего применения.

16. Способ по п.1 дополнительно включает в себя этап (f) расширения, по меньшей мере, некоторой части потока отходящего газа через турбину для получения энергии и потока расширенного отходящего газа.

17. Способ по п.16, в котором источником кислорода является блок разделения воздуха, при этом способ дополнительно содержит этап (g) направления, по меньшей мере, некоторой части потока расширенного отходящего газа к блоку разделения воздуха.

18. Способ по п.1 дополнительно включает в себя этап (f) рециркуляции второй части отработанного газа через второй канал отработанного газа к камере сжигания.

19. Устройство для улавливания СО₂ из отработанного газа, выделяющегося на силовой установке сжигания углеродосодержащего топлива, содержащее источник кислорода и камеру сжигания для сжигания топлива с кислородом тем самым получая отработанный газ, содержащий CO₂, воду и излишек кислорода в качестве его основных компонентов, содержит:
первый канал отработанного газа для направления, по меньшей мере, первой части отработанного газа к средству для улавливания СО₂;
последний компрессор, размещенный в первом канале отработанного газа, для сжатия первой части отработанного газа для получения потока сжатого отработанного газа при давлении выше около шестидесяти бар;
последнее средство охлаждения, соединенное с упомянутым первым каналом отработанного газа, для охлаждения потока сжатого отработанного газа для улавливания первой части СО₂ в первичном блоке отделения СО₂ путем конденсирования первой части для получения первого потока жидкого CO₂ и потока отходящего газа высокого давления, содержащего кислород и излишек CO₂;
средство для слива первого потока жидкого CO₂ из силовой установки, и
канал для направления потока отходящего газа высокого давления к вторичному блоку отделения CO₂, содержащему адсорбирующий материал для улавливания второй части СО₂ путем адсорбирования его адсорбционным материалом.

20. Устройство по п.19, дополнительно содержащее сушильное средство, размещенное в упомянутом первом канале отработанного газа для удаления воды из первой части отработанного газа.

21. Устройство по п.20, в котором упомянутое сушильное средство содержит, по меньшей мере, одну (i) исходную компрессорную систему и/или (ii) исходное средство охлаждения для сжатия и/или охлаждения части потока отработанного газа до давления и температуры, достаточных для конденсации более чем около 99 вес.% воды в первой части отработанного газа.

22. Устройство по п.19, в котором упомянутое последнее средство охлаждения содержит теплообменник.

23. Устройство по п.22, в котором упомянутое последнее средство охлаждения содержит средство для рециркуляции хладагента через упомянутый теплообменник и охлаждающую башню.

24. Устройство по п.19, в котором упомянутый первичный блок отделения CO₂ содержит ректификационную колонну.

25. Устройство по п.19, в котором вторичный блок отделения CO₂ содержит средство для нагревания адсорбирующего материала для высвобождения адсорбированного CO₂ из адсорбирующего материала, средство для повторного охлаждения освобожденного СО₂ так, чтобы получить второй поток жидкого CO₂, и средство для объединения, по меньшей мере, некоторой части второго потока жидкого CO₂ с первым потоком жидкого СО₂.

26. Устройство по п.19, дополнительно содержащее средство для закачивания первого потока жидкого СО₂ до давления от около ста бар до около ста шестидесяти бар для транспортировки потока жидкого СО₂ к месту хранения или для дальнейшего применения.

27. Устройство по п.19, дополнительно содержащее турбину для расширения, по меньшей мере, некоторой части потока отходящего газа для получения энергии и потока расширенного отходящего газа.

28. Устройство по п.27, в котором источником кислорода является блок разделения воздуха, причем устройство дополнительно содержит средство для направления, по меньшей мере, некоторой части потока расширенного отходящего газа к упомянутому блоку разделения воздуха.

29. Устройство по п.19, дополнительно содержащее второй канал отработанного газа для рециркуляции второй части отработанного газа к камере сжигания.